Introdução a instrumentação industrial
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Introdução a instrumentação industrial


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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Departamento de Engenharia Química
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA
INTRODUÇÃO À
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
Prof. Maurício A. da Prof. Maurício A. da Motta SobrinhoMotta Sobrinho
Prof. Nelson L. Prof. Nelson L. MederiosMederios
RECIFE
1998
1. TEMPERATURA
A temperatura, como variável intensiva, é uma medida importante na indústria de processos,
sendo exigida nos casos em que a aplicação de calor ou frio é necessária para o controle de um
processo de fabricação.
O ponto de ebulição e o ponto de fusão da água e o ponto de fusão do enxofre são alguns
dos pontos fixos utilizados na definição da escala de temperatura internacional.
É citado na literatura pontos de referência para se calibrar os termômetros de acordo com a
faixa de temperatura em que se irá trabalhar [1].
Existem vários fenômenos que podem ser utilizados na medição de temperatura, dentre os
quais destacam-se :
· Variação de volume
· Variação da resistência em um condutor
· Força eletromotriz criada na união de dois metais distintos
· Intensidade da radiação emitida por um corpo
A opção por um deles far-se-á de acordo com o tipo de aplicação, pela precisão do
resultado, velocidade de captação da temperatura, distância entre o elemento de medida e o
receptor e pelo tipo de instrumento indicador, registrador ou controlador.
1.1. VARIAÇÃO DE VOLUME
Dentre os termômetros que utilizam a influência da temperatura na variação de volume
podem-se destacar :
I. TERMÔMETRO DE VIDRO
O termômetro de vidro é formado basicamente por um bulbo, onde se deposita o líquido
que irá se expandir sob ação do calor, e um tubo capilar graduado, onde o líquido se projetará
indicando a temperatura.
O fluido mais comumente usado neste tipo de termômetro é o mercúrio, por possuir um
coeficiente de expansão uniforme, não molhar o vidro, purifica facilmente e ser de fácil leitura.
Podem também ser empregados o pentano, o alcool e o tolueno, dependendo da faixa de operação
do termômetro.
Um caso particular do termômetro de vidro é o termômetro de Beckmann. Ele tem uma
escala com variação de 0,01 oC, podendo ainda estimar a 0,001 oC. Seu intervalo é somente de 5
a 6 oC, mas se pode ajustar para qualquer temperatura mediante o ajuste do mercúrio na parte
superior da escala.
II. TERMÔMETROS DE SISTEMA TERMAL
O sistema termal é definido como um conjunto selado composto por :
· Um bulbo oco metálico, que é exposto ao meio cuja temperatura se
 deseja medir. Ele é o reservatório do fluido.
· Um tubo capilar, que serve como elemento de ligação
· Uma espiral ou hélice tipo \u201cBourdon\u201d que converte as variações de
 pressão ou de volume em movimentos mecânicos
Figura 01 - Sistema Termal
O sistema termal existe em três tipos, que são:
II.1. SISTEMA TERMAL COM LÍQUIDO OU TERMÔMETRO DE LÍQUIDO EM METAL.
Este tipo é preenchido totalmente por um líquido, que pode ser o mercúrio ou um líquido
orgânico como o álcool metílico e o etilbenzeno. Ao ser aquecido este líquido expande-se, fazendo
com que o tubo de Bourdon se dilate provocando o seu estiramento. Consequentemente o elemento
indicador mover-se-á proprocionalmente ao aumento de pressão, indicando assim a temperatura.
O termômtro líquido em metal funciona baseado no aumento da pressão em um volume
relativamente fixo. Segundo os fundamentos da física básica isto pode ser representado idealmente
por:
 P V
T
P V
T
1 1
1
2 2
2
= (1)
onde : P1 = Pressão menor T1 = Temperatura menor V1 = Volume menor
 P2 = Pressão maior T2 = Temperatura maior V2 = Volume maior
mas V1=V2 temos que
 
P T P T1 2 2 1=
 (2)
A variação da temperatura em função da pressão pode ser vista claramente pela Equação 2.
II.2. SISTEMA TERMAL DE GÁS OU TERMÔMETRO DE GÁS
Estes termômetros operam baseados na lei de Charles dos gases ideais, expressa pela
equação 2. Geralmente o gás utilizado é o nitrogênio, porém outros gases podem ser utilizados. O
funcionamento deste tipo de termômetro é semelhante ao sistema termal de líquido.
II.3. SISTEMA TERMAL DE VAPOR OU TERMÔMETROS ACIONADOS A VAPOR
Este tipo de termômetro pode funcionar de duas maneiras : com o líquido volátil ou com o
vapor atuando no tubo de Bourdon. Quando a temperatura ambiente é a mesma ou próxima da
temperatura medida, não se deve utilizar este sistema acionado por vapor.
O funcionamento do sistema termal de vapor é semelhante ao do sistema termal líquido. O
líquido volátil ao ser aquecido passa para a fase vapor aumentando a pressão no interior do tubo de
Bourdon. Em qualquer temperatura haverá uma condição de equilíbrio entre o líquido volátil e a fase
vapor, utilizados como meio sensor.
III. TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Os termômetros metálicos tem seu funcionamento baseado na diferença entre os coeficientes
de dilatação dos metais. São construídos com duas lâminas finas de metais diferentes que são
fixados uma à outra em toda a sua extensão e modelados na forma de espiral ou hélices. Uma
extremidade da espiral ou hélice é presa ao eixo do ponteiro e a outra ao tubo de proteção.(Figura
2)
Figura 2 - Termômetro Bimetálico
A espiral bimetálica é formada colocando-se o metal com maior coeficiente de dilatação no
lado externo. Ao receber calor, o metal externo irá se expandir mais que o interno, fazendo a espiral
girar e deslocar o ponteiro, indicando assim o aumento da temperatura.
1.2. VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR
I. TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA
Este tipo de termômetro tem seu funcionamento baseado na variação da resistência elétrica
de um material sujeito a variação de temperatura. O termômetro de resistência é basicamente um
instrumento utilizado para se medir a resistência elétrica, e que foi calibrado para indicar a
temperatura em graus, ao invés de Ohms.
É constituído por uma bobina sensora, enrolada dentro ou em volta de armações de material
isolante. Os fios são arranjados nas molduras de modo a promover boa condutividade térmica do
sistema e uma elevada taxa de transferência de calor.
Quanto maior for a variação de resistência por grau para um dado valor de resistência,
maior será a sensibilidade. Além desta característica, deve ter boa estabilidade.
O metal escolhido deve ter uma variação praticamente linear com a temperatura. A maioria
dos metais puros possuem esta característica. A relação entre resistência e temperatura pode ser
expressa por:
 ( )R R TT = +0 1 a (3)
onde : R0 = Resistência na temperatura de referência, [Ohms].
RT = Resistência na temperatura T, [Ohms].
T = Temperatura, [kelvin].
a = Coeficiente de resistência do material usado, [1/Kelvin] .
A medição da resistência elétrica do material é realizada através de algum tipo de ponte. A
mais usada é a de Wheatstone, mas existem outras como a de Muller, a de fio corrediço duplo e a
de Collendar-Griffths.
II. TERMISSOR
Ao contrário dos termômetros resistivos, nos termissores a elevação de temperatura faz com
que a corrente elétrica diminua. Ele utiliza material semicindutor como elemento sensor. Em alguns
casos, a resistência diminui de mais de 5% para cada oC de acréscimo de temperatura,
demonstrando assim uma grande sensibilidade para medição de temperaturas em faixas de medição
estreitas.
1.3. FORÇA ELETROMOTRIZ CRIADA NA UNIÃO DE DOIS METAIS DISTINTOS
I. TERMOPARES
Um termopar é formado por dois metais diferentes, soldados em suas extremidades, que
quando colocadas a temperaturas diferentes, geram corrente elétrica (Figura 3). Uma destas
extremidades é chamada de junta quente ou união de medição e a outra, que estará ligada a um
instrumento de medição de FEM, junta fria ou união de referência.
Figura 3 - Esquema de um Termopar
Este fenômeno é chamado de termoeletricidade e foi observado por Seebeck em 1821
quando ao fundir um fio de